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自动售货机PLC控制系统设计

沈阳化工大学

本科毕业论文

题

目

院

系

专

业

班

级

学生姓名:

指导教师:

自动售货机PLC控制系统设计

信息工程学院

电气工程及其自动化

电气0703班

XXXXXX

XXXXXXX

论文提交日期：

2011年6月25日

论文答辩日期：

2011年6月28日

毕业设计（论文）任务书

电气工程及其自动化专业

电气0703班

学生：

XXXX

毕业设计（论文）题目：

自动售货机PLC控制系统设计

毕业设计（论文）内容：

本课题基于西门子系列PLC设计一个自动售货机控制系统，设计内

容包括系统电机主电路设计、PLC选型、I/O分配与外部接线、梯形图设计、组态软件运行监控。

毕业设计（论文）专题部分：

自动售货机控制要求

硬件选择软件设计调试运行

起止时间：

2011年3月---2011年6月

指导教师：

XXXX签字2011年3月3日

教研主任：

_XXXX签字_2011年3月4日

学院院长：

XXXX签字2011年3月5日

摘要

本论文设计的是基于西门子S7-200系列PLC构成的自动售货机监控系统，本文阐述了自动售货机的来源与发展，以及它在国内外发展的现状，对自动售货机

的方案进行了论证，介绍了PLC的基本组成、特点以及工作原理，对基于西门子S7-200系列PLC构成的自动售货机系统整体设计过程进行较为细致的论述。

文中详尽地介绍了自动售货机的各硬件组成，并完成了PLC外部接线图。

在

PLC梯形图的编写时，文中采用的是西门子PLC梯形图专用编译软件STEP袜进行编写。

介绍了自动售货机的基本原理以及工作流程，然后以一次交易过程为例，把

交易过程分为几个程序块，然后分别对程序块进行编程。

具体说明了可编程序控制器在自动售货机中的作用。

程序涉及到了自动售货机工作的绝大部分过程。

利用PLC控制的自动售货机提高了系统的稳定性，保证自动售货机能够长期稳定运行。

关键词：

智能抢答器；PLC顺序功能图；梯形图；I/O点的分配

第一章绪论1

自动售货机的理论背景与实际意义1

第二章文献综述2

第三章方案设计与论证4

3.1自动售货机的控制要求4

3.2自动售货机设计的基本思路4

3.3PLC的概述5

3.3.1PLC的定义5

3.2.2PLC的简介5

3.2.3PLC的工作原理5

3.4PLC的循环扫描工作6

3.5PLC的编程语言7

3.6PLC的特点7

3.7自动售货机的外部接线图8

第四章设计与实现9

4.1PLC的硬件组成9

4.2自动售货机的软件设计9

4.2.1定时器9

4.2.2数学运算指令10

4.3自动售货机的基本功能11

4.4自动售货机I/O点的分配11

4.5顺序功能图（SFC12

4.5.1什么是顺序功能图12

4.6梯形图（LAD13

461什么是梯形图（LAD13

4.6.2自动售货机梯形图的设计（LAD）14

4.7自动售货机仿真错误!

未定义书签。

4.7.1自动售货机仿真错误!

未定义书签。

4.7.2仿真中需要注意的问题错误!

未定义书签。

4.8联机统调错误!

未定义书签。

结束语24

参考文献26

致谢27

第一章绪论

自动售货机的理论背景与实际意义

从自动售货机是一种全新的商业零售形式，20世纪70年代自日本和欧美发展起来。

它又被称为24小时营业的微型超市。

在日本，70%的罐装饮料是通过自动售货机售出的；全球著名饮料商可口可乐公司在全世界就布有50万台饮料自动售货机。

在中国，自动售货机1999年开始进人中国市场•如今，在机场、地铁、商场、公园等客流较大的场所，已不难发现自动售货机的身影。

自动售货机能根据投入的钱币自动付货的机器。

自动售货机是商业自动化的常用

设备，它不受时间、地点的限制，能节省人力、方便交易。

公元1世纪,希腊人希罗

制造的自动出售圣水的装置是世界上最早的自动售货机。

1925年美国研制出售香烟

的自动售货机，此后又出现了出售邮票、车票的各种现代自动售货机。

现代自动售货机的种类、结构和功能依出售的物品而异，主要有食品、饮料、香烟、邮票、车票、日用品等自动售货机。

一般的自动售货机由钱币装置、指示装置、贮藏售货装置等组成。

钱币装置是售货机的核心，其主要功能是确认投入钱币的真伪，分选钱币的种类，计算金额。

如果投入的金额达到购买物品的数值即发出售货信号，并找出余钱。

指示

装置用以指示顾客所选商品的品种。

贮藏售货装置保存商品，接收出售指示信号，把顾客选择的商品送至付货口。

一般售货机的钱币装置由投币口、选别装置、确认钱币真伪的检查装置、计算金额的计算装置和找钱装置组成。

70年代以来，出现了采用

微型计算机控制的各种新型自动售货机和利用信用卡代替钱币并与计算机连接的更大规模的无人售货系统，如无人自选商场、车站的自动售票和检票系统、银行的现金自动支付机等

自动售货机的发展趋势来看，它的出现是由于劳动密集型的产业构造向技术密集型社会转变的产物。

大量生产、大量消费以及消费模式和销售环境的变化，要求出现新的流通渠道；而相对的超市、百货购物中心等新的流通渠道的产生，人工费用也不断上升；再加上场地的局限性以及购物的便利性等这些因素的制约，无人自动售货机

作为一种必须的机器便应运而生了。

第二章文献综述

它的售货领域非常广泛，是发达国家商品零售的一种主要方式。

近几年，自动售货机逐渐被越来越多的消费者所接受。

但由于售货机分布零散、范围广阔的特点，自动售货机在为消费者带来方便的同时，也为经营者在监控、管理、维护等方面带来很大的不便。

目前售货机运行的各种情况都需要由人工判断，包括缺货、缺零钱、币箱已满、售货机机械故障等，经营者普遍采用人工定时巡回视察的管理办法，既费时费

力，又无法及时准确获取自动售货机状态报告，给经营者增加了管理成本和难度，也有可能给消费者的正常消费造成不便。

本系统的设计和实现可以使自动售货机的经营者可以根据网络统计的销售状况进行商品销售状况分析，预测商品的销售走势，确定合理的采购和配送策略，以期获得最高的投资回报率。

同时售货机的一些故障信息和警报信息可以实时的传送到相应运营人员，从而可以在第一时间内发现并解决问题

在日本全国各地，共设有550万台自动售货机（据1998年的统计），销售额达6兆8969亿4887万日元，为世界第一。

在售货机的显示屏幕上进行操作，输入商品号码和购买数量，并投入钱币后，商品就会从取货口出来，甚至从食品自动售货机上还能买到热呼呼的面条和米饭团。

虽然日本的自动售货机总台数低于美国（据1997年

的统计为689万台），但是，从人口占有数来看却是世界上最高的，美国平均35人占有一台，而日本为23人占有一台。

据说世界上最早的自动售货机出现在公元前3世纪，那是埃及神殿里的投币式圣水出售机。

17世纪，英国的小酒吧里设有了香烟的自动售货机。

在自动售货机历史的长河中，日本开发出实用型的自动售货机，那是在进入本世纪后的事。

日本第一台自动售货机是1904年问世的“邮票明信片自动出售机”，它是集邮票明信片的出售和邮筒投函为一体的机器。

自动售货机的真正普及是在第二次世界大战以后。

50年

代，“喷水型果汁自动售货机”大受欢迎，果汁被注入在纸杯里出售。

后来，由于美国的饮料大公司进入日本市场，1962年，出现了以自动售货机为主体的流通领域的革命。

1967年，100日元单位以下的货币全部改为硬币，从而促进了自动售货机产业的发展。

现在，自动售货机产业正在走向信息化并进一步实现合理化。

例如实行联机方式,

通过电话线路将自动售货机内的库存信息及时地传送各营业点的电脑中，从而确保了

商品的发送、补充以及商品选定的顺利进行。

并且，为防止地球暖化，自动售货机的开发致力于能源的节省，节能型清凉饮料自动售货机成为该行业的主流。

在夏季电力消费高峰时，这种机型的自动售货机即使在关掉冷却器的状况下也能保持低温，与以

往的自动售货机相比，它能够节约10—15%的电力。

进入21世纪时，自动售货机也将进一步向节省资源和能源以及高功能化的方向发展。

第三章方案设计与论证

3.1自动售货机的控制要求

1.此售货机可投入一元、五角硬币

2.如果顾客投入硬币在限定的时间内（2分钟）不按任何按键，自动售货机将退还所投硬币；

3.当投入硬币的总值等于或才超过物品价值时，对应的物品指示灯亮绿灯；

4.当物品对应的指示灯亮绿灯时，按下按下相应的按键，相应的物品排出，同时指示灯绿灯闪烁；

5.如果顾客投入硬币总值超过所选物品的价值时，自动售货机会自动将余款退还

顾客；

6.当顾客成功购买完一件物品后20秒无操作，自动售货机会自动将余款退还顾客;

7.如果顾客投入硬币后又不想买物品，按下退款按键，自动售货机会自动将余款退还顾客；

8.当物品不足时，对应的物品指示灯亮红灯，顾客按下相应的按键无反应（不出物品，不减余额），并向总部发送所缺物品

3.2自动售货机设计的基本思路

本次设计的题目是自动售货机，主要是应用西门子S7-200型PLC的梯形图来

设计控制程序，并简单介绍相关的知识，如：

PLC的定义、PLC的编程语言、PLC

的硬件组成等。

根据设计内容和控制要求画出顺序功能图和梯形图，再根据PLC

的相关知识设计出它的外部接线图，结合梯形图和外部接线图分析说明该设计的控制原理过程。

本次设计的重要部分是第三章的设计部分，即自动售货机梯形图的设计。

首先就得根据设计内容和控制要求准确画出它的顺序功能图，再根据所画出的顺序功能

图准确设计出它的梯形图，这样才能真正理解本次智能抢答器的控制原理。

3.3PLC的概述

331PLC的定义

PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用

可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

3.2.2PLC的简介

PLC是以CPU为核心，综合了计算机技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，是现代工业控制的三大支柱（PLC机器人和CAD/CAM之一。

目前，世界上生产PLC的主要厂家有65个，其中最有名气的厂家在日本、美国和德国。

日本的几个厂家为三菱、富士。

日立、东芝、横河、立石、光洋、夏普等公司。

美国的几个厂家为德州食品公司、通用电器公司、歌德公司、数字设备公司等。

还有德国的西门子，荷兰的飞利浦，香港的鹰达等公司也是很有名气的。

日本三菱电机公司（MITSUBISHI于1971年开始研制PLC目前主要有F1,F2,FX,K,A等十几个系列几十种产品，在我国（主要是华东和华南地区）的工业控制领域具有一定的市场占有率。

3.2.3PLC的工作原理

PLC的工作原理与计算机的工作原理基本是一致的，可以简单地表述为在系统程序的管理下，通过运行应用程序完成用户任务。

PLC通电后，首先对硬件和软件作一

些初始化操作，初始化反复不停地分阶段处理各种不同的任务。

但是PLC也有它自己

的特点，PLC在确定了工作任务，装入了专用程序后成为一种专用机，它采用循环扫描工作方式，系统工作任务管理及应用程序执行都是用循环扫描方式完成的。

图3-1各阶段处理任务

3.4PLC的循环扫描工作

对每个程序，CPL从第一条指令开始执行，按指令步序号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇

到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。

PLC的扫描全过程如图3-2所示。

（1）输入刷新阶段

在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。

完成后关闭输入端口，转入程序执行阶段。

（2）程序执行阶段

在程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。

（3）输出刷新阶段

当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，

并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出

3.5PLC的编程语言

PLC为用户提供了完善的编程语言来满足编制用户程序要求。

它提供的编程语

言通常有以下5种：

梯形图（LAD、语句表（STQ、顺序功能图（SFC、功能块图（FBD和结构文本（ST）o

3.6PLC的特点

（1）抗干扰能力强，可靠性好

I/O系统设计有完善的通道保护与信号调理电路；在结构上对耐热、防潮、防尘、抗震等都有周到的考虑。

（2）控制系统结构简单，通用性强

PLC及外围模块品种多，可由各种组件灵活组合成各种大小和不同要求的控制系统。

（3）编程方便，易于使用

PLC程序的编制，采用梯形图或面向工业控制的简单指令形式。

（4）功能完善

在PLC内部具有许多控制功能，诸如时序、计算机、主控继电器以及移位

寄存器、中间寄存器等。

（5）设计、施工、调试、的周期短

PLC采用模块化积木式结构，故仅需按性能、容量等选用组装，因而缩短

了设计周期，使设计和施工可同时进行。

（6）体积小，维护操作方便

PLC体积小，质量轻，便于安装。

（7）易于实现网络化

PLC可连成功能很强的网络系统。

（8）可实现三电一体化

PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）和电结（运动控制）这三电集于一体

3.7自动售货机的外部接线图

本次知道售货机的外部接线图如图3-3所示，SB2-SB7为物品选择按钮，当投入货币物品绿灯亮（Q2.1—Q2.6），按下SB2-SB7其中一个，对用的KM线圈得电电机转动出相应的物品（Q0.1—Q0.6），当有物品销售完其行程开关断开，物品红灯亮并同时向总部发送物品销售完的信息；当收买物品总值低于投入总值时，可按找零按

钮SB1选择找一元还是五角（SB10SB1D后KM1得电电机转动找零（Q0.0）。

图3-3自动售货机外部接线图

第四章设计与实现

4.1PLC的硬件组成

PLC的硬件主要由中央处理器（CPU、存储器、输入单元、输出单元、通信

接口、扩展接口、电源等几部分组成。

其中，CPU是PLC的核心；输入单元/输出

单元是CPU与现场输入/输出设备之间的接口电路；通信接口用于连接编程器、上位计算机等外部设备，其硬件构成图如图4-1。

图4-1PLC硬件结构图

4.2自动售货机的软件设计

4.2.1定时器

定时器是PLC中重要的编程元件，是累计时间增量的内部器件。

定时器的工

作过程与继电器控制系统的时间继电器基本相同，但它没有瞬动触点，失电时，常

闭触点闭合，常开触点打开；定时器得电时，常闭触点打开，常开触点闭合。

定时器的当前值、设定值均为10位有符号整数（INT），允许的最大值为32767。

定时器指令表见表4-1。

表4-1定时器指令

语句描述

接通延时定时器断开延时定时器

TON

TOF

Txxx

Txxx

，PT

，PT

TONR

BITIM

CITIM

Txxx

OUT

IN,OUT

，PT

r

保持型接通延时定时器起动间隔定时器计算间隔定时器

4.2.2数学运算指令

在梯形图中，整数、

双整数与浮点数的加、减、乘'

、除指令（见表

4-2）分别

执行下列运算

:

IN1+IN2=OUTIN1—

IN2=OUTIN1*IN2=OUTIN1/IN2=OUT。

表4-2加减乘除指令

梯形图

语句表

描述

梯形图

语句表

描述

ADDI

+IINT1,OUT

整数加法

DIVDI

/D

双整数除法

INT1,OUT

SUBI

-IINT1,OUT

整数减法

ADDR

+R

实数加法

INT1,OUT

MULI

*I

整数乘法

SUBR

-R

实数减法

INT1,OUT

INT1,OUT

/I

*R

DIVI

整数除法

MULR

实数乘法

INT1,OUT

INT1,OUT

+D

双整数加

/R

ADDDI

DIVR

实数除法

INT1,OUT

法

INT1,OUT

-D

双整数减

MUL

整数乘法产

SUBDI

MUL

INT1,OUT

法

INT1,OUT

生双整数

*D

双整数乘

DIV

带余数的整

MULDI

DIV

INT1,OUT

法

INT1,OUT

数除法

图4-2自动售货机工作流程图

在语句表中，整数、双整数与浮点数的加、减、乘、除指令分别执行下列运算：

IN1+OUT=OUTOUT-IN1=OUTIN1*OUT=OUTOUT/IN2=OUT

4.3自动售货机的基本功能

自动售货机的各种动作功能和控制要求，给出了完整的自动售货机操作规程（如

图4-2），并介绍了自动售货机运行系统中所包括的人工操作步骤。

在实际生活中，我们见到的售货机可以销售一些简单的日用品，如饮料、常用药

品和小的生活保健用品等。

售货机的基本功能就是对投入的货币进行运算，并根据货

币数值判断是否能够购买某种商品，并作出相应的反应。

例如：

售货机中有2种商品，A商品价格为0.5元，B商品为1元。

现投入1个1元硬币，当投入的货币超过A商品的价格时，A商品的选择按钮处应有变化，提示可以购买，B商品也提示。

当按下

选择A商品的价格时，售货机进行减法运算，从投入的货币总值中减去A商品的价格同时启动相应的电机，提取A号商品到出货口。

此时售货机继续进行等待外部命令，如继续交易，则同上，如果此时不再购买而按下退币按钮，售货机则要进行退币操作，退回相应的货币，并在程序中清零，完成此次交易。

由此看来，售货机一次交易要涉及加法运算、减法运算以及在退币时的除法运算，这是它的内部功能。

还要有货币识别系统和货币的传动来实现完整的售货、退币功能。

4.4自动售货机I/O点的分配

输入/输出单元通常也称I/O单元或I/O模块，是PLC与工业生产现场之间的连接部件。

PLC通过输入接口可以检测被控对象的各种数据，以这些数据作为PLC对

被控制对象进行控制的依据；同时PLC又通过输出接口将处理结果送给被控制对象，以实现控制目的。

本次智能抢答器I/O点的分配如表4-3所示。

表4-3自动售货机1|0点分配表

序号

定义点

符号

功能

1

10.0

SB1

找零按钮

2

I0.1

SB2

食品五角按钮

3

I0.2

SB3

食品兀按钮

4

I0.3

SB4

饮料一兀按钮

5

I0.4

SB5

饮料二元按钮

6

I0.5

SB6

日用二元按钮

7

10.6

SB7

日用三元按钮

8

I2.0

SB8

投五角硬币

9

I2.1

SB9

投一兀硬币

10

I2.5

SB10

找零五角

11

I2.6

SB11

找零一兀

12

I3.1

SB12

食品五角行程开关

13

I3.2

SB13

食品一兀行程开关

14

I3.3

SB14

饮料一兀行程开关

15

I3.4

SB15

饮料二元行程开关

16

I3.5

SB16

日用二元行程开关

17

I3.6

SB17

日用三元行程开关

18

Q3.1

食品五角红灯（物品售完）

19

Q3.2

食品兀红灯（物品售完）

20

Q3.3

饮料一兀红灯（物品售完）

21

Q3.4

饮料二元红灯（物品售完）

22

Q3.5

日用二元红灯（物品售完）

23

Q3.6

日用三元红灯（物品售完）

24

Q0.0

找零

25

Q0.1

出食品五角

26

Q0.2

出食品兀

27

Q0.3

出饮料一兀

28

Q0.4

出饮料二元

29

Q0.5

出日用二元

30

Q0.6

出日用三元

31

Q2.1

食品五角绿灯（可以购买）

32

Q2.2

食品一兀绿灯（可以购买）

33

Q2.3

饮料一兀绿灯（可以购买）

34

Q2.4

饮料二元绿灯（可以购买）

35

Q2.5

日用二元绿灯（可以购买）

36

Q2.6

日用三元绿灯（可以购买）

4.5顺序功能图（SFQ

4.5.1什么是顺序功能图

顺序功能图是一种位于其他编程语言之上的图形语言，使用它可以对具有并发、选择等复杂结构的系统进行编程。

顺序功能图提供了一种组织程序的图形方法,

在顺序功能图中允许和别的语言编程的程序嵌套。

顺序功能图由步、转换和动作三种主要元件组成，如图4-3所示。

可以用顺序功能图来描述系统的功能，根据它可以很容易地设计出梯形图程序。

步1

转换1—

动作1

步2

动作2

转换2__

步3

图4.3顺序功能图

4.6梯形图（LAD

4.6.1什么是梯形图（LAD）

梯形图是用的最多的PLC图形编程语言。

梯形图语言是在传统电器控制系统中常用的接触器、继电器等图形表达符号的基础上演变而来的。

它与电器控制线路图

相似，如图3-4所示。

继承了传统电器控制逻辑中使用的框架结构、逻辑运算方式

和输入输出形式，具有形象、直观、实用的特点。

因此，这种编程语言为广大电气

技术人员所熟知，是应用最广泛的PLC的编程语言，是PLC的第一编程语言

图4-5传统继电器控制线路图和PLC梯形图

a传统继电器控制线路图bPLC梯形图

在梯形图中，有两根竖直的直线，被称为母线，现在很多PLC只保留了左边的母线，而把右边的母线略去不写。

在梯形图中引入了“能流”的概念。

左边的母线就如电源的“正极”，而右边的母线就如电源的“负极”。

如果有“能流”从左至右流向线圈，则线圈被激励。

如果没有能流，则线圈未被激励，“能流”在任何时

刻都不会通过接点自右向左流。

462自动售货机梯形图的设计（LAD）

本此设计自动售货机主要销售食品、饮料、日用三大类，而食品有五角和一元,饮料有一元和二元，日用有二元和三元。

本次自动售货机的梯形图如下所示：

投入五角硬币，计币系统会增加五角

m1NetworkTitle

S8:

IM22.O

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ENENO

OUT

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序号

］地址

［注釋

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］投五角硬旷

投入

元硬币，计币系统自动增加一元

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IN2

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